1、半導體器件半導體器件1 半導體的根底知識，半導體的根底知識，P型硅，型硅，N型硅型硅2 PN結及半導體二極管結及半導體二極管3 特殊二極管特殊二極管4 半導體三極管半導體三極管5 場效應管場效應管1.1 本征半導體本征半導體現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子價電子都是四個。鍺，它們的最外層電子價電子都是四個。Si硅原子硅原子Ge鍺原子鍺原子1 半導體的根本知識半導體的根本知識化學元素周期表經(jīng)過一定的工藝過程，可以將半導體經(jīng)過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體。制成晶體。完全純真的、構造完好的半導體晶體，完全純真的、構造完好的半導體晶體

2、，稱為本征半導體。稱為本征半導體。在硅和鍺晶體中，每個原子與其相臨的原在硅和鍺晶體中，每個原子與其相臨的原子之間構成共價鍵，共用一對價電子。子之間構成共價鍵，共用一對價電子。硅和鍺的共價鍵構造硅和鍺的共價鍵構造共價鍵共共價鍵共用電子對用電子對+4+4+4+4+4+4表示除表示除去價電子去價電子后的原子后的原子共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自在電子，因此本征半導體脫離共價鍵成為自在電子，因此本征半導體中的自在電子很少，所以本征半導體的導電中的自在電子很少，所以本征半導體

3、的導電才干很弱。才干很弱。構成共價鍵后，每個原子的最外層電構成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構成穩(wěn)定構造。子是八個，構成穩(wěn)定構造。共價鍵有很強的結合力，共價鍵有很強的結合力，使原子規(guī)那么陳列，構成晶體。使原子規(guī)那么陳列，構成晶體。+4+4+4+41.2雜質半導體雜質半導體在本征半導體中摻入某些微量的雜質，在本征半導體中摻入某些微量的雜質，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。其緣由是摻雜半導體的某種載流子濃度其緣由是摻雜半導體的某種載流子濃度大大添加。載流子：電子，空穴大大添加。載流子：電子，空穴N型半導體主要載流子為電子，電子半導體型半導體主要載流子

4、為電子，電子半導體P型半導體主要載流子為空穴，空穴半導體型半導體主要載流子為空穴，空穴半導體N型半導體型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷或在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷或銻，晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，銻，晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相臨的磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相臨的半導體原子構成共價鍵，必定多出一個電子，這個半導體原子構成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自在電子，電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自在電子，這樣磷原子就成了不能挪動的帶正電的離子。每個這樣磷原子就成了不能挪

5、動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。磷原子給出一個電子，稱為施主原子。硅或鍺硅或鍺 +少量磷少量磷 N型半導體型半導體N型半導體型半導體多余電子多余電子磷原子磷原子硅原子硅原子+N型硅表示型硅表示SiPSiSiP型半導體型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼或在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼或銦，晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，銦，晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相臨的半導體原硼原子的最外層有三個價電子，與相臨的半導體原子構成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可以吸子構成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可以吸引束縛電子來

6、填補，使得硼原子成為不能挪動的帶引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能挪動的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主負電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。原子。硅或鍺硅或鍺 +少量硼少量硼 P型半導體型半導體空穴空穴P型半導體型半導體硼原子硼原子P型硅表示型硅表示SiSiSiB硅原子硅原子空穴被以為帶一個單位的正電荷，并且空穴被以為帶一個單位的正電荷，并且可以挪動可以挪動雜質半導體的表示表示法雜質半導體的表示表示法P P型半導體型半導體+N N型半導體型半導體2.1 PN 結的構成結的構成在同一片半導體基片上，分別制造在同一片半導體基片上，分別制造P型型半導體和半導體和N型半導

7、體，經(jīng)過載流子的分散，型半導體，經(jīng)過載流子的分散，在它們的交界面處就構成了在它們的交界面處就構成了PN結。結。2 PN結及半導體二極管結及半導體二極管P型半導體型半導體N型半導體型半導體+分散運動分散運動內電場內電場E E漂移運動漂移運動分散的結果是使空間電荷區(qū)分散的結果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。內電場越強，就使漂移運動內電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。變薄。空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)，也稱耗盡層。也稱耗盡層。 在半導體中由于濃度差別，在半導體中由于濃度差別，多數(shù)載流子多子從濃度多數(shù)載流子多子從濃度高向濃度低的區(qū)域

8、挪動，稱高向濃度低的區(qū)域挪動，稱分散運動；構成分散電流。分散運動；構成分散電流。少數(shù)載流少數(shù)載流子少子子少子在內電場在內電場作用下，作用下，有規(guī)那么有規(guī)那么的運動稱的運動稱為漂移運為漂移運動；構成動；構成漂移電流。漂移電流。漂移運動漂移運動P型半導體型半導體N型半導體型半導體+分散運動分散運動內電場內電場E E所以分散和漂移這一對相反的運動最終到達平衡，相當于兩個區(qū)之間沒所以分散和漂移這一對相反的運動最終到達平衡，相當于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。+空間電空間電荷區(qū)荷區(qū)N型區(qū)型區(qū)P型區(qū)型區(qū)電位電位V VV01.1.空間電荷區(qū)中沒有載流

9、子。空間電荷區(qū)中沒有載流子。2.2.空間電荷區(qū)中內電場妨礙空間電荷區(qū)中內電場妨礙P P 區(qū)中的空穴，區(qū)中的空穴，N N 區(qū)中的電子都是多子向區(qū)中的電子都是多子向對方運動分散運動。對方運動分散運動。3.P 3.P 區(qū)中的電子和區(qū)中的電子和N N 區(qū)中的空穴都是少子，數(shù)量有限，因此由它們構區(qū)中的空穴都是少子，數(shù)量有限，因此由它們構成的電流很小。漂移運動成的電流很小。漂移運動留意留意: :一、一、PN PN 結正向偏置結正向偏置內電場內電場外電場外電場+REPN+_內電場被減弱，分散內電場被減弱，分散飄移，多子的分散飄移，多子的分散加強可以構成較大的加強可以構成較大的分散電流分散電流(正向電流。正向

10、電流。2. PN結的單導游電性結的單導游電性 空間電荷區(qū)變薄空間電荷區(qū)變薄正向電流正向電流PN 結結處于導處于導通外形通外形PN 結正向偏置的意思是：結正向偏置的意思是： P 區(qū)加正、區(qū)加正、N 區(qū)加負電壓。區(qū)加負電壓。 只允許一個方向的電流經(jīng)過。只允許一個方向的電流經(jīng)過。構成正向電流，稱構成正向電流，稱正導游通。正導游通。二、二、PN PN 結反向偏置結反向偏置+內電場內電場外電場外電場NP+_內電場被加強，多子的內電場被加強，多子的分散受抑制。少子漂移分散受抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，加強，但少子數(shù)量有限，只能構成較小的反向電只能構成較小的反向電流。流。RE空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)變厚

11、變厚PN 結結處于截處于截止外形止外形反向電流反向電流PN 結反向偏置的意思是：結反向偏置的意思是： P 區(qū)加負、區(qū)加負、N 區(qū)加正電壓。區(qū)加正電壓。 反向電流極小，稱反向電流極小，稱反向截止。反向截止。2.3 半導體二極管半導體二極管(1)根本構造根本構造PN結加上管殼和引線，就成為半導體二極管。結加上管殼和引線，就成為半導體二極管。PNPN符號符號陽極陽極陰極陰極(2)伏安特性伏安特性UI導通壓降導通壓降: : 硅硅管管0.60.7V,0.60.7V,鍺管鍺管0.20.3V0.20.3V。反向擊穿電反向擊穿電壓壓U(BR)死區(qū)電壓死區(qū)電壓 硅管硅管0.5V,0.5V,鍺管鍺管0.2V0.2

12、V。UIE+-反向漏電流反向漏電流很小，很小，A級級二極管主要參數(shù) 最大整流電流：最大正向平均電流最大整流電流：最大正向平均電流IOm； 最大反向電壓：最高反向義務電壓最大反向電壓：最高反向義務電壓URm； 最大反向電流：最大反向電流：IRm反映二極管的單導游通特反映二極管的單導游通特性性二極管的運用 整流 防反接 限幅 門電路 例例1：二極管：死區(qū)電壓：二極管：死區(qū)電壓=0 .5V， 正向壓降正向壓降=0.7V(硅二極管硅二極管) 理想二極管：死區(qū)電壓理想二極管：死區(qū)電壓=0 ，正向壓降，正向壓降=0 RLuiuOuiuott二極管半波整流二極管半波整流例例2：二極管的運用：二極管的運用RR

13、LuiuRuotttuiuRuo3.其它類型二極管其它類型二極管 光電二極管 光照影響反向電流，光強度高、反向電流大； 發(fā)光二極管LED 單管LED 七段式數(shù)碼管 矩陣式LED顯示屏 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管IZmax+-穩(wěn)壓二極管符號穩(wěn)壓二極管符號UIUZIZ穩(wěn)壓二極管特性曲線穩(wěn)壓二極管特性曲線IZmin當穩(wěn)壓二極管義務當穩(wěn)壓二極管義務在反向擊穿外形下在反向擊穿外形下,當義務電流當義務電流IZ在在Izmax和和 Izmin之之間時間時,其兩端電壓其兩端電壓近似為常數(shù)近似為常數(shù)正向同正向同二極管二極管穩(wěn)定穩(wěn)定電流電流穩(wěn)定穩(wěn)定電壓電壓NPN型三極管型三極管三極管符號三極管符號NPNCBEP

14、NPCBEBECTBECTPNP型三極管型三極管CBENNP4.1 根本構造、類型與符號根本構造、類型與符號4 半導體三極管半導體三極管(雙極型晶體管雙極型晶體管構造特點：構造特點： 發(fā)射極摻雜濃度最大；發(fā)射極摻雜濃度最大； 基區(qū)摻雜濃度最小，寬度最窄；基區(qū)摻雜濃度最小，寬度最窄； 集電極面積最大。集電極面積最大。以使晶體以使晶體管具有放管具有放大作用。大作用。發(fā)射結發(fā)射結集電結集電結基極基極BECNNP發(fā)射極發(fā)射極集電極集電極+ + + + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 基區(qū)：基區(qū)：

15、 較薄，較薄，摻雜濃摻雜濃度低度低集電區(qū)：集電區(qū)：面積較大面積較大發(fā)射區(qū)：摻發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高雜濃度較高集電結集電結發(fā)射結發(fā)射結基極基極BCEPPN集電極集電極發(fā)射極發(fā)射極+ + + + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ NPN型型PNP型型根本構造根本構造基區(qū)：基區(qū)： 較薄，較薄，摻雜濃摻雜濃度低度低集電區(qū)：集電區(qū)：面積較大面積較大發(fā)射區(qū)：摻發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高雜濃度較高4.2 電流分配和放大原理電流分配和放大原理BECNNPEBRBECIE基區(qū)空基區(qū)空穴向發(fā)穴向發(fā)射區(qū)的射區(qū)的分散構分

16、散構成成 IEP 。IEP進入進入P區(qū)的電子少部分區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復合，與基區(qū)的空穴復合，構成電流構成電流IBN ，多數(shù)，多數(shù)分散到集電結邊緣。分散到集電結邊緣。發(fā)射結正發(fā)射結正偏，發(fā)射偏，發(fā)射區(qū)電子不區(qū)電子不斷向基區(qū)斷向基區(qū)分散，構分散，構成發(fā)射極成發(fā)射極電流電流IEN。ENEPENIIIIBNIENIB=IBN+ IEPIBBECNNPEBRBECIEIEPENEPENIIIIBNIENIB=IBN+ IEPIB集電結反偏，集電結反偏，使內電場加強，使內電場加強，從發(fā)射區(qū)分散從發(fā)射區(qū)分散到基區(qū)并到達到基區(qū)并到達集電結邊緣的集電結邊緣的電子，在內電電子，在內電場的作用下，場的作用下

17、，漂移進集電區(qū)，漂移進集電區(qū)，構成構成 ICN 。ICN集電結反偏，有少子發(fā)生集電結反偏，有少子發(fā)生漂移運動，構成極小的漂移運動，構成極小的 反向電流反向電流ICBO。ICBOIC = ICN+ICBO ICNICBO IBN發(fā)射結正發(fā)射結正偏，發(fā)射偏，發(fā)射區(qū)電子不區(qū)電子不斷向基區(qū)斷向基區(qū)分散，構分散，構成發(fā)射極成發(fā)射極電流電流IEN。進入進入P區(qū)的電子少部分區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復合，與基區(qū)的空穴復合，構成電流構成電流IBN ，大部，大部分分散到集電結邊緣。分分散到集電結邊緣。基區(qū)空穴基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)向發(fā)射區(qū)的分散構的分散構成成 IEP 。ICBOCBEIIIBNCNII直流電直流電流放

18、大流放大倍數(shù)倍數(shù)PN 結反向偏置結反向偏置+內電場內電場外電場外電場NP+_內電場被加強，多子的內電場被加強，多子的分散受抑制。少子漂移分散受抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，加強，但少子數(shù)量有限，只能構成較小的反向電只能構成較小的反向電流。流。RE空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)變厚變厚PN 結結處于截處于截止外形止外形反向電流反向電流PN 結反向偏置的意思是：結反向偏置的意思是： P 區(qū)加負、區(qū)加負、N 區(qū)加正電壓。區(qū)加正電壓。 反向電流極小，稱反向電流極小，稱反向截止。反向截止。B極極C極極ICBOICN集電結反偏，使集電結反偏，使內電場加強，從內電場加強，從發(fā)射區(qū)分散到基發(fā)射區(qū)分散到基區(qū)并到達集

19、電結區(qū)并到達集電結邊緣，數(shù)量極大邊緣，數(shù)量極大的電子，在內電的電子，在內電場的作用下，漂場的作用下，漂移進集電區(qū)，構移進集電區(qū)，構成成 極大極大ICN 。IB=IBE-ICBOIBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO ICEIBE ICE與與IBE之比稱為電流放大倍數(shù)：之比稱為電流放大倍數(shù)：要使三極管能放大電流，必需使發(fā)射結正偏，集電結反偏。要使三極管能放大電流，必需使發(fā)射結正偏，集電結反偏。BCCBOBCBOCBECEIIIIIIII NPN型三極管型三極管PNP型三極管型三極管BECTIBIEICBECTICIBIE 三極管的電流方向和發(fā)射結與集電結所處的

20、極性：三極管的電流方向和發(fā)射結與集電結所處的極性：CEOBCBOBCIIIII) 1(CBOCEOII) 1()0(CEOBCIIIBEII) 1() 1(CEII4.3 特性曲線特性曲線ICmA AVVUCEUBERBIBECEB 實驗電路實驗電路一、輸入特性曲線一、輸入特性曲線UCE 1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8義務壓降：義務壓降： 硅管硅管UBE0.60.7V,鍺管鍺管UBE0.20.3V。UCE=0VUCE =0.5V 死區(qū)電壓：死區(qū)電壓： 硅管硅管0.5V， 鍺管鍺管0.2V。輸入特性曲線是指輸入特性曲線是指UCE為常數(shù)時，為常數(shù)時， IB與與UBE之間的關

21、系曲線。即：之間的關系曲線。即：)(BEBUfI 二、輸出特性曲線二、輸出特性曲線IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域滿足此區(qū)域滿足IC=IB 稱稱為線性區(qū)為線性區(qū)放大區(qū)。放大區(qū)。當當UCE大于一定大于一定的數(shù)值時，的數(shù)值時，IC只只與與IB有關，有關，IC=IB。輸出特性曲線是指輸出特性曲線是指IB 為常數(shù)時，為常數(shù)時， IC與與UCE之間的關系曲線。即：之間的關系曲線。即：)(CECUfI IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中此區(qū)域中UCEUBE,集電結集電結正偏，正偏，IBIC，

22、UCE0.3V稱為飽和區(qū)。稱為飽和區(qū)。IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中此區(qū)域中 : IB=0,IC=ICEO,UBEIC，UCE0.3V (3) 截止區(qū)：截止區(qū)： UBE 死區(qū)電壓，死區(qū)電壓， IB=0 ， IC=ICEO 0 前面的電路中，三極管的發(fā)射極是輸入輸出的公共點，稱為共射接前面的電路中，三極管的發(fā)射極是輸入輸出的公共點，稱為共射接法，相應地還有共基、共集接法。法，相應地還有共基、共集接法。共射直流電流放大倍數(shù)：共射直流電流放大倍數(shù)：BCII_義務于動態(tài)的三極管，真正的信號是疊加在直流上的交流信號。基義務于動態(tài)的三極管，真正

23、的信號是疊加在直流上的交流信號。基極電流的變化量為極電流的變化量為 IBIB，相應的集電極電流變化為，相應的集電極電流變化為 ICIC，那么交流電，那么交流電流放大倍數(shù)為：流放大倍數(shù)為：BIIC4.4 主要參數(shù)主要參數(shù)1. 電流放大倍數(shù)電流放大倍數(shù) 和和 5 .3704. 05 . 1_BCII4004. 006. 05 . 13 . 2BCII在以后的計算中，普通作近似處置：在以后的計算中，普通作近似處置： =例：例： UCE=6V時：時：IB = 40 A, IC =1.5 mA； IB = 60 A, IC =2.3 mA。2.集集-基極反向截止電流基極反向截止電流ICBO AICBOI

24、CBO是集電是集電結反偏由少子結反偏由少子的漂移構成的的漂移構成的反向電流，受反向電流，受溫度的變化影溫度的變化影響。響。BECNNPICBOICEO= IBE+ICBO IBE IBEICBO進入進入N區(qū)，區(qū)，構成構成IBE。根據(jù)放大關系，由根據(jù)放大關系，由于于IBEIBE的存在，必有的存在，必有電流電流IBEIBE。當集電結反當集電結反偏時，集電偏時，集電區(qū)的空穴漂區(qū)的空穴漂移到基區(qū)而移到基區(qū)而 構成的構成的ICBO3. 集集-射極反向截止電流射極反向截止電流ICEOICEO受溫度影響很受溫度影響很大，當溫度上升時，大，當溫度上升時，ICEO添加很快，所添加很快，所以以IC也相應添加。也相

25、應添加。三極管的溫度特性三極管的溫度特性較差。較差。4.集電極最大允許電流集電極最大允許電流 ICM集電極電流集電極電流ICIC上升會導致三極管的上升會導致三極管的值的下降，當值的下降，當值下降到值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為正常值的三分之二時的集電極電流即為ICMICM。5.集集-射極反向擊穿電壓射極反向擊穿電壓U(BR)CEO當集當集-射極之間的電壓射極之間的電壓UCEUCE超越一定的數(shù)值時，三極管就會被擊超越一定的數(shù)值時，三極管就會被擊穿。手冊上給出的數(shù)值是穿。手冊上給出的數(shù)值是2525C C、基極開路時的擊穿電壓、基極開路時的擊穿電壓U(BR)CEOU(BR)CEO。6. 集電極最大允許功耗集電極最大允許功耗 PCM 集電極電流集電極電流IC 流過三極管，流過三極管， 所發(fā)出的焦耳所發(fā)出的焦耳 熱為：熱為：PC =ICUCE 必定導致結溫必定導致結溫 上升，所以上升，所以PC 有限制。有限制。PCPCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO平安義務